Hệ trục tọa độ này được gắn trục d trùng với vector điện áp stator, Us và tốc độ quay cùng với tần số góc của điện áp stator.
Do đó, khi biểu diễn điện áp, Us trong hệ trục tọa độ d-q thì chỉ có một thành
phần nằm trên trục d nên công suất vô công và hữu công khi chọn hệ trục tọa độ
SVRF tham chiếu được diễn như sau:
sd sd gen u i P . 2 3 (6.2) sd sd gen u i Q . 2 3 (6.3)
Trong hệ trục tọa độ SVRF, công suất hữu công của máy phát được xác định
bởi thành phần d của dòng điện stator và công suất vô công của máy phát được xác định bởi thành phần q của dòng điện stator.
c. Hệ trục tọa độ định hướng từ thông stator (SFRF)
Từ thông stator của máy phát là vuông góc với vector điện áp, Us. Do vậy, trục d của hệ trục tọa độ định hướng từ thông stator trùng với trục q của hệ trục tọa độ chuẩn định hướng điện áp stator.
d. Hệ trục tọa độ chuẩn hệ thống (SRF)
Hệ trục tọa độ này được gắn trùng với một máy điện chuẩn nào đó trên hệ thống điện và thường là máy phát điện đồng bộ. Tần số quay của hệ trục này là 50 Hz.
Việc lựa chọn hệ trục tọa độ chuẩn này phù hợp với các thành phần AC sẽ trở thành như là thành phần DC trong hệ trục đã chọn.
6.3.2 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu phía lưới[6.2].
Cấu trúc điều khiển nghịch lưu PWM về cơ bản có cùng chung một mục đích nhưng lại được dựa trên các nguyên tắc khác nhau. Chúng được phân loại dựa trên hai nguyên tắc:
- Điều khiển dựa trên điện áp, - Điều khiển dựa trên từ thông ảo.
Trong đó, điều khiển nghịch lưu PWM theo định hướng vector điện áp lưới gồm hai phương pháp là:
+ Điều khiển định hướng vector điện áp (Voltage Oriented Control, VOC), + Điều khiển công suất trực tiếp (Direct Power Control, DPC).
Cả hai phương đều chọn hệ trục tọa độ tham chiếu là SVRF (Stator Voltage Oriented Reference Frame).
Trong khi đó, phương pháp điều khiển dựa trên từ thông ảo là phương pháp cần phải ước lượng từ thông ảo của lưới điện. Điều khiển theo vector từ thông ảo bao hai phương pháp là:
+ Điều khiển định hướng vector từ thông điện áp (Voltage Flux Oriented Control, VFOC),
+ Điều khiển công suất trực tiếp theo định hướng vector từ thông điện áp (Voltage Flux Direct Power Control, DPC).
Hình 6.1 Các phương pháp điều khiển nghịch lưu phía lưới
Trong phạm vi của luận văn này, phương pháp VOC sẽ được lựa chọn cho việc điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện WD.
Các phương pháp điều khiển nghịch lưu PWM
Điều khiển theo vector điện áp
Điều khiển theo vector từ thông ảo
6.4 Điều khiển nghịch lưu theo định hướng vector điện áp [6.3]. Xét sơ đồ cấu trúc kết nối của bộ nghịch lưu như sau: Xét sơ đồ cấu trúc kết nối của bộ nghịch lưu như sau:
Hình 6.2 Sơ đồ khối kết nối bộ nghịch lưu
Đặc điểm của phương pháp điều khiển này là dựa vào dòng điện để xử lý tín
hiệu trên hai hệ trục tọa độ mà bao gồm hệ trục tọa độ cố định α-β và hệ trục tọa độ quay d-q. Các giá trị dòng điện đo được trong hệ trục tọa độ tĩnh ba pha được biến đổi sang hệ trục tọa độ cố định α-β, sau đó được biến đổi sang hệ tọa độ d-q. Cấu
trúc điều khiển PWM theo VOC là như sau:
Hình 6.3 Sơ đồ điều khiển nghịch lưu PWM theo VOC
Khi chọn trục d trùng với trục điện áp của lưới và hệ trục d-q quay cùng với tần số của lưới là ω.
Do đó: Ud UL và Uq0, điều này cũng có nghĩa là trên sơ đồ điều khiển
thành phần, Uq bị triệt tiêu.
6.5 Mô phỏng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống biến đổi năng lượng phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện WD [6.4].
Bằng phương pháp điều khiển định hướng vector điện áp lưới, công suất tác dụng, P và công suất phản kháng, Q của hệ thống WD sẽ được thực hiện điều khiển thông qua sơ đồ sau:
Hình 6.4 Sơ đồ điều khiển P và Q của hệ thống biến đổi Wave Dragon
Theo phương pháp điều khiển định hướng vector điện áp của lưới thì ULq = 0. Khi ấy, công suất tác dụng và công suất phản kháng của lưới tương ứng sẽ là:
d d grid U I P 2 3 (6.4) Suy ra: d grid d U P I 3 2 (6.5) và q d grid U I Q 2 3 (6.6)
Suy ra: d grid q U Q I 3 2 (6.7)
Việc điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng thông qua việc
điều khiển hai thành phần của dòng điện Id và Iq tương ứng.
Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng trong chương này cho việc mô
phỏng điều khiển công suất tác dụng, P và công suất phản kháng, Q của máy phát
điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống biến đổi WD. Sơ đồ biểu diễn cho mô phỏng như sau:
6.5.1 Máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSG)
Trong sơ đồ mô phỏng hình 6.5, khối máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu cho hệ thống WD được mô tả với các thông số như sau:
Hình 6.6 Khối máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu - Công suất định mức: 750 kW
- Tốc độ định mức: 32 vòng/phút - Số pha: 3
- Loại rotor: Cực lồi - Điện trở stator: 0,01
- Điện cảm dọc trục: 7,79 H - Điện cảm ngang trục: 7,79 H - Số cặp cực: 54
Hình 6.7 Hộp thoại khai báo thông số cho máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu
6.5.2 Bộ chỉnh lưu
Hệ thống mô phỏng sử dụng cầu chỉnh lưu diode không điều chỉnh, hình 5.9. Nhiệm vụ của bộ chỉnh lưu này là chỉnh lưu dòng điện xoay chiều 3 pha thành dòng điện một chiều. Dòng điện xoay chiều 3 pha của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu sẽ được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều trước khi đến tụ điện liên kết
Udclink. Hộp thoại khai báo các thông số cho bộ chỉnh lưu được mô tả như hình 5.10.
Hình 6.9 Cầu chỉnh lưu diode
6.5.3 Bộ nghịch lưu
Hình 6.11 Sơ đồ khối bộ nghịch lưu Bộ nghịch lưu của mô phỏng được biểu diễn như hình 5.12.
Nhiệm vụ của bộ nghịch lưu là biến đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều 3 pha. Biên độ và tần số của điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu bằng với biên độ và tần số của điện áp lưới điện. Khi ấy, sơ đồ kết nối của bộ nghịch lưu với lưới điện như hình 6.13.
Hình 6.13 Sơ đồ kết nối bộ nghịch lưu với lưới điện
Trong sơ đồ hình 5.13, các khóa S1, S2, S3, S4, S5 và S6 thực hiện chức năng đóng/mở trong sơ đồ bộ nghịch lưu. Việc điều khiển tần số, điện áp và dòng điện mà bộ nghịch lưu cung cấp cho lưới điện bằng cách đóng/mở các khóa một cách hợp lý.
- Điện áp của bộ nghịch lưu kết nối với lưới điện:
dt dI L I R U Ul l l (6.8) Trong đó:
Ul: là điện áp pha của lưới điện
Rl, Ll: là điện trở và điện kháng của lưới điện
Khi chọn trục d trùng với trục điện áp của lưới và hệ trục d-q quay cùng với tần số
góc của lưới điện là . Do đó:
và
Ulq = 0 (6.10)
Khi ấy, điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu là:
ld q q d d d s d L I U dt dI L I R U (6.11) d d q q q s q L I dt dI L I R U (6.12) Trong đó:
Ud và Uq: là điện áp ngõ vào trục d-q của bộ nghịch lưu
: là tần số góc của lưới điện
Ld và Lq: là điện kháng theo hệ trục d-q của lưới điện
Id và Iq: là cường độ dòng điện theo hệ trục d-q
6.5.4 Bộ chuyển đổi hệ trục tọa độ abc thành hệ trục tọa độ dq Mối quan hệ giữa điện áp của hệ trục tọa độ abc và dq: Mối quan hệ giữa điện áp của hệ trục tọa độ abc và dq:
3 2 sin 3 2 sin sin 3 2 t V t V t V Vd a b c (6.13) 3 2 cos 3 2 cos cos 3 2 t V t V t V Vq a b c (6.14)
Hình 6.14 Sơ đồ khối biến đổi điện áp từ hệ trục tọa độ abc thành hệ trục tọa độ dq
6.5.5 Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng
Theo (6.4)-(6.7), sơ đồ khối mô phỏng tính toán công suất phát lên lưới được biểu diễn như hình 6.15 [6.5].
Hình 6.15 Sơ đồ khối mô phỏng tính toán công suất phát lên lưới
Hình 6.16 Sơ đồ khối điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của PMSG của hệ thống Wave Dragon
6.5.6 Bộ phát tín hiệu điều khiển bộ nghịch lưu
Bộ phát tín hiệu điều khiển sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung, giữ nhiệm vụ tạo ra các xung kích để kích thích đóng/mở các cổng điều khiển của bộ nghịch lưu.
Hình 6.17 Sơ đồ tạo tín hiệu xung kích điều khiển bộ nghịch lưu
Hình 6.18 Sơ đồ bộ điều chế độ rộng xung PWM
6.6 Kết quả mô phỏng 6.6.1 Trường hợp 1 * Thông số đặt:
- Các giá trị đặt của công suất tác dụng và công suất phản kháng lần lượt là: Pref =
250 kW và Qref = 150 kVAR. - Tốc độ rotor, r = 3,2 (rad/s).
* Kết quả mô phỏng:
Hình 6.19 Công suất tác dụng của PMSG phát lên lưới của trường hợp 1
Hình 6.20 Công suất phản kháng của PMSG phát lên lưới của trường hợp 1
* Nhận xét:
Công suất tác dụng, P và công suất phản kháng, Q của máy phát luôn bám theo được các giá trị yêu cầu, Pref = 250 kW và Qref = 150 kVAR. Đáp ứng công
suất tác dụng của máy phát ổn định nhanh sau khoảng thời gian quá độ, tqđ = 0.0165s và tương tự, đáp ứng công suất phản kháng của máy phát cũng ổn định
nhanh sau khoảng thời gian quá độ, tqđ = 0.0172s. Ngoài ra, trong khoảng thời gian t = [0, 0.011s], công suất tác dụng, P < 0, máy phát làm việc ở chế độ động cơ.
6.6.2 Trường hợp 2 * Thông số đặt:
- Các giá trị đặt của công suất tác dụng và công suất phản kháng lần lượt là: Pref =
550 kW và Qref = 150 kVAR. - Tốc độ rotor, r = 3,2 (rad/s).
* Kết quả mô phỏng:
Hình 6.21 Công suất tác dụng của PMSG phát lên lưới của trường hợp 2
Hình 6.22 Công suất phản kháng của PMSG phát lên lưới của trường hợp 2
* Nhận xét:
Công suất tác dụng, P và công suất phản kháng, Q của máy phát luôn bám theo được các giá trị yêu cầu, Pref = 550 kW và Qref = 150 kVAR. Đáp ứng công suất tác
dụng của máy phát ổn định nhanh sau khoảng thời gian quá độ, tqđ = 0.0173s và tương tự, đáp ứng công suất phản kháng của máy phát cũng ổn định nhanh sau
khoảng thời gian quá độ, tqđ = 0.0186s. . Ngoài ra, trong khoảng thời gian t = [0,
0.011s], công suất tác dụng, P < 0, máy phát làm việc ở chế độ động cơ.
6.6.3 Trường hợp 3 * Thông số đặt:
- Các giá trị đặt của công suất tác dụng và công suất phản kháng lần lượt là: Pref =
750 kW và Qref = 550 kVAR. - Tốc độ rotor, r = 3,2 (rad/s).
* Kết quả mô phỏng:
Hình 6.23 Công suất tác dụng của PMSG phát lên lưới của trường hợp 3
* Nhận xét:
Công suất tác dụng, P và công suất phản kháng, Q của máy phát luôn bám theo được các giá trị yêu cầu, Pref = 750 kW và Qref = 550 kVAR. Đáp ứng công suất tác
dụng của máy phát ổn định nhanh sau khoảng thời gian quá độ, tqđ = 0.029s và tương tự, đáp ứng công suất phản kháng của máy phát cũng ổn định nhanh sau
khoảng thời gian quá độ, tqđ = 0.031s. . Ngoài ra, trong khoảng thời gian t = [0,
0.0085s], công suất tác dụng, P < 0, máy phát làm việc ở chế độ động cơ.
6.6.4 Trường hợp 4 * Thông số đặt:
- Giá trị đặt của công suất tác dụng, P được thay đổi theo thời gian với các giá trị
lần lượt như sau:
t(s) 0 0 1 1 2 2 3.5 3.5 5 P(kW) 0 -250 -250 -350 -350 -750 -750 -400 -400
- Tốc độ rotor, r = 3,2 (rad/s) * Kết quả mô phỏng:
Hình 6.26 Công suất phản kháng của PMSG phát lên lưới của trường hợp 4
Hình 6.27 Dòng điện của PMSG phát lên lưới của trường hợp 4
* Nhận xét:
Công suất tác dụng, P luôn bám theo được các giá trị yêu cầu và công suất phản kháng, Q không thay đổi, Q = 150 kVAR. Điều này cũng có nghĩa là việc điều khiển công suất P và Q độc lập với nhau.
6.6.5 Trường hợp 5 * Thông số đặt:
- Giá trị đặt của công suất tác dụng, Pref = - 550 kW, Qref = 150 kVAR. - Tốc độ rotor, r thay đổi như sau:
t(s) 0 0 1 1 2 2 3.5 3.5 5
r(rad/s) 0 2,8 2,8 3,5 3,5 4,2 4,2 3,2 3,2
* Kết quả mô phỏng:
Hình 6.28 Tốc độ rotor của PMSG trong trường hợp 5
Hình 6.30 Công suất phản kháng của PMSG phát lên lưới của trường hợp 5
* Nhận xét:
Công suất tác dụng, P và công suất phản kháng, Q của máy phát luôn bám theo được các giá trị yêu cầu, Pref = -550 kW và Qref = 150 kVAR bất chấp các thay đổi của tốc độ rotor, r. Đáp ứng công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát ổn định nhanh sau khoảng thời gian quá độ.
6.7 Kết luận
Các phân tích cũng như các kết quả mô phỏng đạt được cho thấy hiệu quả
của bộ điều khiển công suất tác dụng, P và công suất phản kháng, Q. Các đáp ứng
điều khiển luôn luôn nhanh và ổn định với các thay đổi khác nhau của các giá trị công suất đặt và tốc độ rotor.
Chương 7
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI
7.1 Kết luận
Luận văn được trình bao gồm 7 chương với các nội dung như sau: Chương 1: Giới thiệu
Chương 2: Tổng quan về hệ thống biến đổi năng lượng sóng biển thành năng lượng điện
Chương 3: Bộ biến đổi năng lượng sóng biển chìm Aschimedes Wave Swing
Chương 4: Bộ biến đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon
Chương 5: Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng của máy phát điện đồng bộ nam châm vĩnh cửu trong hệ thống biến
đổi năng lượng sóng biển Wave Dragon
Chương 6: Nghiên cứu tiềm năng khai thác năng lượng sóng biển tại Việt Nam
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển tương lai Các kết quảđạt được trong luận văn này bao gồm:
- Nghiên cứu tổng quan về các bộ biến đổi năng lượng sóng biển thành năng